采用壓電單晶基板的低溫超聲波馬達
采用中科院聲學(xué)所精密ZJ-3型靜壓電測試儀和PZT-JH10/4型壓電極化裝置
1、 引言
低溫環(huán)境作為制造、檢查、保管的過程，并且采用分析儀器的測定環(huán)境被廣泛應(yīng)用。尤其是低于77K的廣義極低溫環(huán)境是氮的沸點，被認(rèn)為是測量物理性質(zhì)的重要環(huán)境。另外，液氫沸點的20K附近的環(huán)境，隨著近年來氫能源相關(guān)技術(shù)的研究開發(fā)的進展，工業(yè)利用的觀點也受到關(guān)注。筆者們的研究小組著眼于從4.3K附近到77K附近的液體氦的沸點環(huán)境，以實現(xiàn)在該環(huán)境中可利用的壓電促動器為目標(biāo)進行研究（1）~（3）。
一般來說，壓電促動器從細(xì)微動作到高速旋轉(zhuǎn)，可以以相對簡單的構(gòu)造來實現(xiàn)，小型化也很容易。從這些特征來看，即使在低溫區(qū)域?qū)弘姶賱悠鞯男枨笠埠艽螅浆F(xiàn)在為止也以各種各樣的形式進行著研究開發(fā)（4）~（6）。但是，由于低溫區(qū)域作為壓電體的特性等，在室溫下使用的促動器很難利用。
根據(jù)本文的報道一樣，筆者們的研究小組著眼于作為壓電促動器的旋轉(zhuǎn)型超聲波馬達，在對于極低溫的環(huán)境下實現(xiàn)促動器的課題，特別是關(guān)于討論超聲波振動子、實現(xiàn)在氦保管容器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動（7）。在本文中，作為之后的展開，著眼于壓電單晶材料，介紹關(guān)于構(gòu)成馬達材料的研究內(nèi)容。
2、 極低溫環(huán)境用的超聲波馬達
圖1表示的是試制的馬達。
以直徑6mm、長度16mm的小型螺栓郎之萬型振動子為驅(qū)動源。馬達的構(gòu)成為圖2所示。
使用所謂的模式旋轉(zhuǎn)型原理的一般結(jié)構(gòu)，通過合成兩個方向的彎曲振動，在振動子的前端生成行波，使與前端接觸的金屬制的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。在液體氮的容器內(nèi)設(shè)置這個馬達，測量旋轉(zhuǎn)狀態(tài)來進行評價。旋轉(zhuǎn)數(shù)是采用通過光纖維和縫隙圓盤構(gòu)成的編碼器來測量的。
正如之前報道的那樣，壓電常數(shù)隨著溫度降低而減小（7）。而且，這樣的特性根據(jù)材料的不同很容易地被預(yù)想到。筆者們到現(xiàn)在為止，研究了一般使用的以太酸鋯酸鉛（以下簡稱PZT）為首的幾種壓電材料，并對從常溫到低溫的環(huán)境中作為壓電材料的特性以及構(gòu)成螺栓郎之萬型振動子時的性能進行了評價。在這里，我們得到了相對良好的結(jié)果，我們將介紹使用作為放松器系列的介電材料而的鎂·鈮酸鉛、鈦酸鉛的重合體（以下簡稱PMN-PT）單晶材料例子。
圖3是采用PZT壓電陶瓷和PMN-PT單晶作為驅(qū)動源的同一形狀和尺寸的螺栓郎之萬型振動子時，顯示的馬達驅(qū)動結(jié)果。振動子主要是以不銹鋼（SUS304）構(gòu)成的。如圖所示，驅(qū)動特性相對于溫度變化，可以看出，在使用PZT的情況下和使用PMN-PT的情況下，驅(qū)動特性也大不相同。
一般組裝的時候，因為有驅(qū)動的時候容易裂開的現(xiàn)象，但是螺栓采用單晶材料之后這種情況大大減少，本來低溫環(huán)境中振幅和振動速度就會變小，但是使用PZT壓電陶瓷之后相對來說使用結(jié)果很不錯。
3、 壓電材料特性的溫度依存性
壓電材料在低溫環(huán)境下特性的評價，探索適合促動器驅(qū)動的材料是本研究中重要的事項之一。在這里介紹其中的一例。
作為在低溫環(huán)境中使用壓電促動器是的問題，顯示壓電體特性的壓電常數(shù)具有溫度依賴性，并且促動器的輸出隨著溫度降低而降低。這在極低溫度下尤其顯著。在作為壓電體的特性上，這樣的特性不止在機械性的輸出上顯示，這是作為所謂的機電耦合現(xiàn)象而產(chǎn)生的。
為了比較壓電材料并進行振動子的設(shè)計，以計算與電、機械特性相關(guān)的各參數(shù)為目的，進行利用諧振、反諧振法的測量。圖4 是作為測量對象評價用的壓電振動子。厚度為0.2mm的PZT壓電陶瓷、PMN-PT單晶通過激光切割成長度12mm、寬度3mm，雙面電極。在中心支撐狀態(tài)下測量長邊線性的縱向振動。
圖5以及圖6是關(guān)于PZT、PMN-PT的各種導(dǎo)納圓的測量結(jié)果。297K為常溫，通過調(diào)節(jié)來自氦罐內(nèi)液體氦的液面高度和加熱器的加熱狀態(tài)來設(shè)定溫度。兩者一對比，能看到在溫度下降的時候PZT的導(dǎo)納圓比PMN-PT的導(dǎo)納圓明顯縮小。
圖3的結(jié)果與導(dǎo)納圓的測量結(jié)果雖然不能單純的拿來對比，但至今得到的馬達驅(qū)動實驗的結(jié)論是使用PZT的馬達比PMN-PT的在低溫下使用時明顯效率低下。
4、 構(gòu)成振動子金屬材料的研究
在極低溫區(qū)域，由于有機材料的使用有很多限制，因此為了避免使用粘合劑的結(jié)構(gòu)，采用了由壓電元件、電極板和金屬螺栓連接的螺栓緊固型朗之萬型振動子。圖7是本研究使用的振動子之一。
螺栓緊固型朗之萬型振動子是通過根據(jù)組裝時的緊固扭矩調(diào)整預(yù)壓值，可以利用比拉伸更能壓縮的壓電元件的特性。最佳預(yù)壓的值取決于構(gòu)成振動子的材料的特性，但是在極低溫環(huán)境中使用該振動子時存在的問題是產(chǎn)生溫度變化引起的熱膨脹（收縮），并根據(jù)熱應(yīng)力影響最佳預(yù)壓的值。此外，彈性常數(shù)和熱膨脹系數(shù)具有溫度依賴性。另外，由于金屬材料和陶瓷壓電材料具有不同的溫度特性，因此為了在低溫區(qū)域提高振動子的性能，有必要考慮這些組合。
圖8表示的是各種材料的熱膨脹系數(shù)的溫度依賴性。作為用于郎之萬型振動子的各個區(qū)塊，螺栓的材料，表示出了關(guān)于不銹鋼（SUS304）、純鈦、還有熱膨脹系數(shù)小而的因瓦合金（鐵，鎳等成分的合成金）。這些值，在過去發(fā)表的論文、數(shù)據(jù)庫等被公開使用（8）~（13）。另外，沒有得到關(guān)于PMN-PT在極低溫領(lǐng)域下的值。
從圖表中可以看出，不銹鋼和鈦、因瓦合金的熱膨脹系數(shù)的值有很大的不同。一般，PZT和PMN-PT熱膨脹系數(shù)的相比較，鈦和PZT比較相近，在繪圖的范圍內(nèi)因瓦合金和PMN-PT也比較相近。如上所述，由于材料常數(shù)具有溫度依賴性，因此為了在低溫環(huán)境中獲得最佳預(yù)壓狀態(tài)，需要根據(jù)振動子的使用環(huán)境溫度來設(shè)定振動子組裝時的緊固扭矩.
圖9是構(gòu)成振動子的區(qū)塊，螺栓是采用的各種金屬材料時，求出與壓電材料接觸面產(chǎn)生的熱應(yīng)力的值的結(jié)果。除了圖8所示的熱膨脹系數(shù)之外，還考慮到彈性模量的溫度依賴性分別非線性地變化，這是通過有限元法計算的結(jié)果。振動子的形狀和尺寸與圖7所示相同，并且使用PMN-PT用作壓電材料。圖表中，拉伸方向表示為正，壓縮方向表示為負(fù)。
從圖表所示的結(jié)果來看，鈦和PMN-PT組合產(chǎn)生的熱應(yīng)力的溫度依賴性基本看不見，不銹鋼以及因瓦合金作為金屬材料使用的時候，相對來說可以看出變化比較大。振動子組裝時，雖然是以這個值為基礎(chǔ)設(shè)定螺栓緊固扭矩，但預(yù)計熱應(yīng)力的溫度依賴性越小振動子的振動特性以及馬達的輸出端口的溫度的影響也越小。
綜上所述，可以推測由鈦塊和PMN-PT的構(gòu)成，可以實現(xiàn)溫度依賴性小的振動子。實際上，用這個組合試作振動子和馬達比用不銹鋼和PZT組合試作的結(jié)果要好（3）。當(dāng)然，振動特性不僅僅只是依賴熱應(yīng)力的溫度依賴性，也要考慮到鈦影響諧振Q值也很高，所以得到這樣的結(jié)果。
5、 結(jié)束語
在本稿中，我們研究了作為以極低溫環(huán)境下為使用目的的壓電促動器，采用超聲波馬達，選擇構(gòu)成用于驅(qū)動的超聲波振動子的材料。還介紹了有關(guān)用PMN-PT單晶作為壓電材料的例子，以及研究構(gòu)成振動子的金屬材料的內(nèi)容。
關(guān)于材料的組合雖然只是單純的表示比較，但是現(xiàn)在已經(jīng)進行使用復(fù)合金屬材料試作振動子了。并且作為驅(qū)動源進行各種壓電，電致伸縮的研究比較。關(guān)于這些成果預(yù)計今后也將依次公布，但我們也將按照當(dāng)初的目的，在使用極低溫環(huán)境的測量儀器等領(lǐng)域進行應(yīng)用。
謝辭
本次研究，在評價壓電振動子以及超聲波馬達的試作評價方面，由岡山大學(xué)的鈴森康一教授、同大學(xué)院在校的自然科學(xué)院以及同工學(xué)部、或者過去在校的黑田雅貴、武田大、野口祐也、中薗正浩的各位協(xié)力進行的。
并且，本研究的一部分是平成25年由文學(xué)部科學(xué)省科學(xué)研究補助金和基礎(chǔ)研究（C）（No.25420091）（極低溫環(huán)境用的微電致伸縮和壓電促動器的試作研究）的贊助進行的。
以上，表示真摯的謝意。
筆者介紹
神田 岳文
岡山大學(xué) 大學(xué)院 自然科學(xué)研究科
山口 大介
岡山大學(xué) 大學(xué)院
自然科學(xué)研究科 系統(tǒng)構(gòu)成學(xué)研究室
博士課程3年
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